基于FPGA的光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究
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耦合器是一種用于傳送和分配光信號的無源器件。通常，光信號由耦合器的一個端口輸入，而從另一個或幾個端口輸出，因此，耦合器可以用來減少系統(tǒng)中的光纖用量以及光源和光纖活動接頭的用量，也可用于節(jié)點互連與信號混合。它可在相同波長上，將來自幾束光纖的光耦合到其他幾柬光纖中，也可將光從一束光纖分離到幾束光纖中。耦合器是通過將2根或多根光纖熔接并拉伸，產(chǎn)生一個耦合區(qū)而產(chǎn)生的。理想的光纖耦合器，信道插入損耗為0 dB，隔離度為1。一般實際值與理想情況接近。分光比為50％：50％的2x2光纖耦合器被稱為3dB耦合器。
2．2 A／D轉(zhuǎn)換器和FPGA器件選型
采集電路是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的電路，其模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換器是采集電路的核心。系統(tǒng)對2路電壓信號同時采集?？紤]到系統(tǒng)的速度、精度和分辨率等要求，這里采用16位的A／D轉(zhuǎn)換器AD976。AD976采樣速率高達100 Ks／s，采用的是電荷重分布技術(shù)的逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由內(nèi)部電容模塊進行高速采樣，因此無需外加采樣保持器，從而簡化了外圍電路的設(shè)計。
此系統(tǒng)采用ALTERA公司優(yōu)性價比的Cyclone系列EP1CQ240C8。EP1CQ240C8內(nèi)部有LE 5 980個，PLL2個，185個I／O端口。利用PLL可完成對輸入分頻、倍頻、占空比的設(shè)定、特定的相移，非常方便。把輸入時鐘必須分給全局時鐘引腳。EP1CQ240C8內(nèi)部有RAM 92 160 bit，可以實現(xiàn)單口RAM，雙口同步FIFO，異步FIFO，CAM(內(nèi)容地址存儲器)，豐富的I／O可以完成和外設(shè)的連接。
2．3 信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路主要完成光電轉(zhuǎn)換和小信號的放大和濾波等功能。本系統(tǒng)的光電探測器采用PED100-LN，其暗電流小、響應(yīng)度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性和可靠性好，在1 550nm的波長附近具有良好的線性輸出；具有對數(shù)特性，對大信號增益小，對小信號增益大，因此可對功率在大范圍內(nèi)變化的光信號進行響應(yīng)。光電探測器是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?，其輸出的電流通過高精密運算放大器構(gòu)成的電路轉(zhuǎn)換為合適的電壓信號。為了使小信號電壓信號不被電路噪聲所淹沒，所以在電路的前端加鎖定放大電路，信號通過放大電路后傳輸?shù)綖V波電路，濾波電路選用二階低通濾波電路。低通濾波電路輸出的信號傳輸給下一級電路進行處理。
又由于光電探測器靈敏度低、輸出電流小，一般只有數(shù)微安，甚至更小，因此必須選用前置放大器對信號進行放大。首先從去噪角度上考慮前置放大電路的設(shè)計，電路中需要引入去耦電容。去耦是去除芯片電源管腳上的噪聲，噪聲是芯片本身產(chǎn)生的。在直流電源電路中負載的變化會引起電源噪聲。此外，前置放大電路還應(yīng)該起到最大限度抑制噪聲的作用，以獲得最大的信噪比。前置放大器的核心部分是運算放大器，應(yīng)盡量選擇具有高的輸入電阻、小的失調(diào)電流的高性能運算放大器。圖2為前置放大電路。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/191383.htm
作為光信號檢測中的關(guān)鍵部分，前置放大電路的性能在很大程度上決定了整個光檢測系統(tǒng)的性能。如果采用一般的放大器進行放大，放大器本身會引入較高的噪聲，后一級放大器將對前一級放大器輸出的信號和引入的噪聲同時進行放大，因此信噪比不會得到改善，本系統(tǒng)中要探測的光電流信號很微弱，因此，前置放大器的增益必須很高。此外，前置放大電路還應(yīng)該起到最大限度抑制噪聲的作用，以獲得最大的信噪比。綜合各方面的考慮，本系統(tǒng)設(shè)計的前置放大電路如圖2所示。由于OP07是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的單運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。光電探測器輸出的光電流信號經(jīng)過前置放大器后，實現(xiàn)了電流-電壓的轉(zhuǎn)換和一次放大，但是為了滿足后續(xù)電路的需要，必須對信號進行二次放大，二級放大電路選用高精密運算放大器OP07構(gòu)成。其二級放大電路如圖3。
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